李子漢

摘要：制作木質(zhì)空間結(jié)構(gòu)并由承重能力和結(jié)構(gòu)重量兩方面數(shù)據(jù)來衡量承重能力。且重量更輕載重量更大的結(jié)構(gòu)承重能力好。本次主要探究了兩種結(jié)構(gòu)的異同，分別是以等邊梯形為底面的四棱柱構(gòu)型（以下簡稱棱柱型），一種是四棱臺構(gòu)型（以下簡稱棱臺形）。研究以計算機模擬實驗為基礎，先分別制作了棱柱形和棱臺形各一個模型，之后通過靜載實驗即在結(jié)構(gòu)上加載以3kg為一級的紙包，之后衡量兩個模型的稱重能力。關(guān)于承重能力的描述，引入了一個新的量荷重比α。通過計算發(fā)現(xiàn)棱臺型的稱重能力由于棱柱型，于是就這兩種結(jié)構(gòu)的不同點做了分析。發(fā)現(xiàn)棱臺型可以將壓力分散到底座的四角避免壓力使中心結(jié)構(gòu)發(fā)生較大形變，形變越大對木條的損傷越大，還可能破壞木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。棱柱型更適于將力均勻分布在底面上，但對于這種底座并不適用，導致承重能力的下降。其次是棱臺型結(jié)構(gòu)對于底座接觸點的處理也一定程度上減少了對稱重柱的壓力。

關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)；承重；結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0257-02

本實驗通過計算機模擬實驗，來溫習相關(guān)的力學知識，通過個人操作，提升對力學理論了解和認識，強化力學基本技能，增強動手的能力，更好的處理面對實際力學學習中所遇到的問題，為以后力學學習打下良好的基礎。

計算機模擬手工實驗的優(yōu)點：與手工實驗相比，僅在計算機上，便可完成一系列操作，更為簡便；處理速度較快，提高實務效率；耗用資源更少，成本較低，且可以循環(huán)使用；數(shù)據(jù)網(wǎng)上存儲，無論在哪都能操作；個人賬號密碼，保證數(shù)據(jù)安全；所有環(huán)節(jié)全部在網(wǎng)內(nèi)完成，更加方便、快捷。

計算機模擬手工實驗的缺點：實驗操作需要一定的計算機水平。

首先，制作一個空間結(jié)構(gòu)模型，安裝在加載裝置上，用于抵抗豎向靜力荷載。

模型需滿足以下基本要求：

1） 模型要求能順利安裝在加載裝置上；

2） 從模型安裝直至第一級靜載加載結(jié)束，模型任意桿件不得觸碰三維規(guī)避區(qū)域。

靜力荷載分級加載，每級加載采用1個3.0kg 的加載塊，加載塊為整摞標準 a3 紙加工而成，具有一定剛度。加載過程中如因模型變形 等各種原因無法維持支撐荷載塊，則判該級加載失??；加載過程中模型任意桿件 觸碰到除了前述“安裝可接觸區(qū)域”以外的加載裝置或地面（桌面），判定該級 加載失敗。

承重能力的衡量引入了一個新的量荷重比α即靜載負荷質(zhì)量q與結(jié)構(gòu)質(zhì)量m的比值，即α= q/m。荷重比越大表示承重能力更優(yōu)越。

1 實驗過程

1.1 模型制作

首先制作了棱柱型結(jié)構(gòu)。模型以梯形立面為主體，起主要支撐作用，然后將梯形立面分為若干三角形，以三角形結(jié)構(gòu)特有的穩(wěn)定性來維持梯形。底面的最外木框使用了8mm*2mm規(guī)格的木料加固而成，且把木條面積最小的2mm為寬的面作底面。根據(jù)截面系數(shù)公式易得W=I/e=ab2/6所以當b取更大值時其抗壓抗扭的強度更大。上下底面均分布了橫縱的木條，一是上底面需要一平面進行靜載試驗，二是對模型整體結(jié)構(gòu)的抻拉以確保在靜載過程中，結(jié)構(gòu)不會像兩邊彎曲形變。之后就是均勻分布在結(jié)構(gòu)中的“X”形木條，這些木條用2mm*2mm規(guī)格的木條制成，這種木條剛性不強但韌性好，所以主要做牽拉條，把結(jié)構(gòu)內(nèi)的若干平面均勻分為三角形確保橫向牽拉條不會發(fā)生過大形變。根據(jù)撓度曲線方程可知：

可見l越大垂直形變量y越大，因此添加了將上底面的縱向拉伸條分為小段即減小l的“x”形的牽拉條和豎直立柱，這兩部分均以底面上的堅固網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為支撐，以支撐上底面減小撓度從而減少上底面牽拉條損壞的情況。

其次制作了棱臺形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較為簡單，承重全部由四條側(cè)棱承擔，所以這四條棱均由8mm*2mm規(guī)格木條制成，并且每條棱偏下的2/3部分各用了兩段8mm*2mm木條加固，以起到增加稱重條抗壓強度。

之后再用2mm*2mm規(guī)格木條作梯形對角線狀在四個面起連接作用。然后用四條細木條連接相鄰兩面對角線交點，形成一個橫放的正方形平面。該結(jié)構(gòu)有助于保持對角線交點與梯形平面共面，從而最大發(fā)揮牽拉作用。如果沒有該結(jié)構(gòu)的抻拉，在上底面受壓后造成形變，導致對角線交點突出平面，使對角線牽拉條在受縱方向壓力的同時，還因形變受到橫向的力，對木條造成損傷。最后是對模型與底座接觸點的三棱錐設計。因為題設中底座是堅固而且極具剛性不易形變，所以借助這種結(jié)構(gòu)提供維持結(jié)構(gòu)形態(tài)的支持力，減少了底面牽拉條的負擔，因此可以使用強度較低的木條作此處的牽拉，還可以省去一部分質(zhì)量

1.2 加載試驗準備

為了模擬題設中的底座，我們還制作了一個木質(zhì)的堅固底座，而且模型不會在實驗過程中碰到桌面借此保證試驗數(shù)據(jù)的準確。

1.3 加載實驗結(jié)果

雖然兩種結(jié)構(gòu)承重重量級數(shù)相同，但是根據(jù)荷質(zhì)比公式α= q/m計算承重能力，顯而易見棱臺型結(jié)構(gòu)優(yōu)于棱柱型。

2 結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)設計、分析

由于三角形結(jié)構(gòu)支柱選取的是4mm*2mm——較為纖細的材料，導致載力結(jié)構(gòu)比較脆弱，同時由于此結(jié)構(gòu)中心三角形支柱較多，用料較多，導致質(zhì)量增加。

我們重新對結(jié)構(gòu)進行分析設計，新設計的結(jié)構(gòu)依然采取剛接的方法，同時將多個受力點簡化成四個受力點，加強縱向拉伸木桿的強度與韌性，加固支撐柱的硬度與載力能力。由于載力結(jié)構(gòu)硬度、強度加強，因此在質(zhì)量獲得減小的前提下，載重效果應得到增強。

同時在四個底部受力點，加裝四面體支柱，以此增加載力能力。

2.2 實驗現(xiàn)象

經(jīng)過載力實驗，我們發(fā)現(xiàn)，新設計的木質(zhì)結(jié)構(gòu)載重能力有所增強，但是也只能達到四級靜載的水平，重現(xiàn)調(diào)整，我們發(fā)現(xiàn)由于載重增加、紙張形變及制作欠缺，部分負責縱向拉伸的木桿承擔部分載重，導致受力不均勻，負責縱向拉伸的木桿形變，帶動支撐木桿及同時形變，易導致結(jié)構(gòu)整體斷裂、崩壞。

2.3 結(jié)構(gòu)設計改進

由于負責縱向拉伸的木桿形變，會帶動支撐木桿及同時形變，因此在保證強度、韌性的同時，我們加強了負責縱向拉伸的木桿的硬度，以此來削減形變對整體結(jié)構(gòu)的影響。

2.4 改進后驗證

改進后，形變量減少，載重能力從靜力四級提升到五級，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，質(zhì)量約為43.6g，屬于當時參賽設計中質(zhì)量較輕的結(jié)構(gòu)。

在實驗中我切實經(jīng)歷了力學計算的基本程序和方法，在實踐中加強了對理論知識的理解。在課程實踐中我遇到很多理論學習中所沒有遇到過的問題，解決這些問題的過程才是我在學習中真正得以提高的過程。

參考文獻：

[1] 王少杰，顧牧，王祖源.大學物理學[M].同濟大學出版社， 2009.

[2] 龍馭球.結(jié)構(gòu)力學[M].高等教育出版社，2006.